CN111900945B - 一种应用于电流模无源混频器的跨阻放大器 - Google Patents
一种应用于电流模无源混频器的跨阻放大器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种应用于电流模无源混频器的跨阻放大器，该跨阻放大器由无源电阻电容和三级跨导放大器构成，电阻的作用是提供电流‑电压转换，并提供一定的增益，电容的主要作用是滤除高频阻塞；所述三级跨导放大器电路为高增益宽带放大器，主要在其带宽和增益两项主要性能指标上进行优化，利用零点补偿方法而不是传统的米勒补偿的方法来满足其稳定性的要求。本发明作为无源电流模混频器的核心模块电路，综合了跨阻放大器和信道滤波器的功能，以最少的滤波器阶数实现了较高的带内和带外线性度，以及较高的滤波品质因数。同时，噪声性能和版图面积也最优。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于电流模无源混频器的跨阻放大器技术，属于SAW-Less接收机技术领域。
背景技术
现在普遍使用的SAW-Less接收机架构是电流模直接转换接收机架构，由低噪声跨导放大器和电流模无源混频器两个核心模块电路组成。其中，普遍地，电流模无源混频器由无源开关混频电路和跨阻放大器组成。用于检测下变频电流的是跨阻抗放大器，电流模无源混频器的噪声、失真和功耗等性能指标都与跨阻放大器的性能严格相关。因此，为了进一步提高电流模无源混频器的性能，跨阻放大器需要具有多阶滤波器的功能。另外，要设计一个高线性度的跨阻放大器，关键在于设计一个高增益高带宽的跨导放大器，还要保证其稳定性，同时跨阻放大器的噪声和功耗最优，这对电流模无源混频器的核心电路——跨阻放大器来说，具有很大的挑战性。
发明内容
技术问题：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种应用于电流模无源混频器的跨阻放大器，其具有高滤波品质因数和高的带外和带内线性度，直到高阻塞频率处都要具有低的输入阻抗，以及具有较低的带内(IB)噪声和尽可能小的功耗和面积。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种应用于电流模无源混频器的跨阻放大器该跨阻放大器包括三级跨导放大器电路、电阻R1、电阻R2、电阻Rf1、电阻Rf2、电容C1、电容C2、电容Cf1、电容Cf2，其中：
电容C1的一端接地，另一端接电阻R1的一端，电容C2的一端接地，另一端接电阻R2的一端，电容C1和电阻R1的公共端、电容C2和电阻R2的公共端作为输入端，电阻R1的另一端分别接三级跨导放大器电路的反相输入端、电阻Rf1的一端以及电容Cf1的一端，电阻R2的另一端分别接三级跨导放大器电路的同相输入端、电阻Rf2的一端以及电容Cf2的一端，电阻Rf1的另一端和电容Cf1的另一端分别接三级跨导放大器电路的正输出端，电阻Rf2的另一端和电容Cf2的另一端分别接三级跨导放大器电路的负输出端；
三级跨导放大器电路包括PMOS管MP1至MP14、NMOS管MN1至MN10、电阻Rb1至Rb6、电阻Rc1、电阻Rc2、电阻Rd1、电阻Rd2、电阻Rz1、电阻Rz2、电容Cc1、电容Cc2、电容Cz1、电容Cz2以及共模电压反馈放大器U1；
PMOS管MP1的源极接电源电压VDD，栅极接偏置电压Vb1，漏极分别接PMOS管MP2、MP3的源极；
PMOS管MP2、MP3的栅极分别作为三级跨导放大器电路的同相输入端Vin+和反相输入端Vin-，漏极分别接PMOS管MP4、MP5的源极；
PMOS管MP4、MP5的栅极分别接偏置电压Vb2，漏极分别接NMOS管MN3、MN4的漏极；
NMOS管MN3、MN4的栅极分别接偏置电压Vb3，源极分别接NMOS管MN1、MN2的漏极；
电阻Rb1和Rb2的一端相连，另一端分别接MN3、MN4的漏极；
电阻Rc1和Rc2的一端相连，另一端分别接NMOS管N1、MN2的栅极；
电阻Rb1和Rb2的公共端接电阻Rc1和Rc2的公共端；
电阻Rd1和Rd2的一端接地，另一端分别接NMOS管N1、MN2的源极；
电容Cc1和Cc2的一端分别接NMOS管MN3、MN4的漏极，另一端分别接NMOS管MN1、MN2的栅极；
PMOS管MP6的源极接电源电压VDD，栅极接偏置电压Vb4，漏极分别接PMOS管MP7、MP8的源极；
PMOS管MP7、MP8管的栅极分别接NMOS管MN3、MN4的漏极，漏极分别接NMOS管MN5、MN6的漏极；
NMOS管MN5、MN6的源极接地；
电阻Rb3和Rb4的一端相连，另一端分别接NMOS管MN5、MN6的漏极；
电阻Rz1和Rz2的一端相连，另一端分别接NMOS管MN5、MN6的栅极；
电阻Rb3和Rb4的公共端接电阻Rz1和Rz2的公共端；
电容Cz1和Cz2的一端分别接PMOS管MP7、MP8的栅极，另一端分别接NMOS管MN5、MN6的栅极；
NMOS管MN7、MN8的源极接地，栅极分别接NMOS管MN5、MN6的漏极，漏极分别接PMOS管MP9、MP10的漏极；
PMOS管MP9、MP10的栅极分别与自身的漏极相连，源极分别接电源电压VDD；
PMOS管MP11、MP12的源极分别接电源电压VDD，栅极分别接PMOS管MP9、MP10的栅极，漏极分别接PMOS管MP13、MP14的漏极；
NMOS管MN9、MN10的源极分别接地，栅极分别接NMOS管MN5、MN6的漏极，漏极分别作为三级跨导放大器电路的正输出端Vout+和负输出端Vout-；
PMOS管MP13、MP14的源极分别接电源电压VDD，栅极分别接共模电压反馈放大器U1的输出端，漏极分别接NMOS管MN9、MN10的漏极；
电阻Rb5和Rb6的一端分别接共模电压反馈放大器U1的同相输入端，另一端分别接NMOS管MN9、MN10的漏极，共模电压反馈放大器U1的反相输入端接共模参考电压Vcm。
有益效果：本发明提供的应用于电流模无源混频器的跨阻放大器，相比现有技术，具有以下效果：
1.跨阻放大器实现了20MHz的3dB带宽，而且具有14dB的闭环增益，在5MHz(带内)和100MHz(带外)阻塞频偏处分别具有38dBm和53.8dBm的输入三阶截点(IIP3)。在线性度和带宽这两项性能指标上领先现有技术；
2.本发明提供的应用于电流模无源混频器的跨阻放大器，以最少的滤波器阶数(1阶)实现了较高的带内和带外线性度，以及较高的滤波品质因数。同时，噪声性能、功耗和版图面积也最优。
附图说明
图1为本发明的一种应用于电流模无源混频器的跨阻放大器的电路图；
图2为本发明的一种应用于电流模无源混频器的跨阻放大器的输出幅特性曲线；
图3为本发明的一种应用于电流模无源混频器的跨阻放大器在5MHz(带内)阻塞频偏处的输入三阶截点(IIP3)；
图4为本发明的一种应用于电流模无源混频器的跨阻放大器在100MHz(带外)阻塞频偏处的输入三阶截点(IIP3)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种应用于电流模无源混频器的跨阻放大器，如图1所示，所述跨阻放大器电路1包括三级跨导放大器电路2，电阻R1、R2、Rf1、Rf2，电容C1、C2、Cf1、Cf2。输入端IN接电容C1、C2和电阻R1、R2，电容C1、C2的另一端接地。电阻R1、R2的另一端接三级跨导放大器电路2的输入端。电阻Rf1、Rf2和电容Cf1、Cf2的一端接三级跨导放大器电路2的输入端，另一端接三级跨导放大器电路2的输出端。
所述跨阻放大器采用负反馈的方式来产生低输入阻抗。跨接在跨导放大器(开环增益为A0)输入输出端的阻抗ZF(电阻Rf和电容Cf的并联阻抗)，产生跨阻放大器的输入电阻
因此，跨阻放大器适用于检测电流模混频器中的电流信号，作电流-电压(I-V)转换。其跨阻增益定义为：
相比于用电阻作电流-电压(I-V)转换的方法，跨阻放大器的优点在于可以提供低输入阻抗，可以减小电流模混频器中电流信号因阻塞而带来的电压摆动，提高混频器的线性度。为了提高跨阻放大器的滤波和噪声性能，本发明的跨阻放大器的输入端放置滤波电容C1、C2，原因有三个：第一，在本振时钟的谐波处将信号分流；第二，在整个频率范围内保持低输入阻抗，从而使得混频器在较强的带外阻塞干扰的情况下，仍然能保持较高的输入二阶截点和输入三阶截点；第三，过滤下变频的高频阻塞分量，从而改善了可滤波跨阻放大器的带外输入三阶截点。适当大小的电容C1、C2可以使得跨足滤波器的带内噪声最优。
高频的带外阻塞无法完全通过滤波电容滤除，因此，跨阻放大器的核心电路模块——跨导放大器起到更重要的作用。高增益高带宽的跨导放大器是提高跨阻放大器线性度的关键。如图1所示，所述三级跨导放大器电路2包括第一至第十四PMOS管，第一至第十NMOS管，电阻Rb1、Rb2、Rb3、Rb4、Rb5、Rb6、Rc1、Rc2、Rd1、Rd2、Rz1和Rz2，电容Cc1、Cc2、Cz1和Cz2，共模电压反馈放大器U1。PMOS管MP1的源极接电源电压VDD，栅极接偏置电压Vb1，漏极分别接PMOS管MP2、MP3的源极；
PMOS管MP2、MP3的栅极分别作为三级跨导放大器电路的同相输入端Vin+和反相输入端Vin-，漏极分别接PMOS管MP4、MP5的源极；
PMOS管MP4、MP5的栅极分别接偏置电压Vb2，漏极分别接NMOS管MN3、MN4的漏极；
NMOS管MN3、MN4的栅极分别接偏置电压Vb3，源极分别接NMOS管MN1、MN2的漏极；
电阻Rb1和Rb2的一端相连，另一端分别接MN3、MN4的漏极；
电阻Rc1和Rc2的一端相连，另一端分别接NMOS管N1、MN2的栅极；
电阻Rb1和Rb2的公共端接电阻Rc1和Rc2的公共端；
电阻Rd1和Rd2的一端接地，另一端分别接NMOS管N1、MN2的源极；
电容Cc1和Cc2的一端分别接NMOS管MN3、MN4的漏极，另一端分别接NMOS管MN1、MN2的栅极；
PMOS管MP6的源极接电源电压VDD，栅极接偏置电压Vb4，漏极分别接PMOS管MP7、MP8的源极；
PMOS管MP7、MP8管的栅极分别接NMOS管MN3、MN4的漏极，漏极分别接NMOS管MN5、MN6的漏极；
NMOS管MN5、MN6的源极接地；
电阻Rb3和Rb4的一端相连，另一端分别接NMOS管MN5、MN6的漏极；
电阻Rz1和Rz2的一端相连，另一端分别接NMOS管MN5、MN6的栅极；
电阻Rb3和Rb4的公共端接电阻Rz1和Rz2的公共端；
电容Cz1和Cz2的一端分别接PMOS管MP7、MP8的栅极，另一端分别接NMOS管MN5、MN6的栅极；
NMOS管MN7、MN8的源极接地，栅极分别接NMOS管MN5、MN6的漏极，漏极分别接PMOS管MP9、MP10的漏极；
PMOS管MP9、MP10的栅极分别与自身的漏极相连，源极分别接电源电压VDD；
PMOS管MP11、MP12的源极分别接电源电压VDD，栅极分别接PMOS管MP9、MP10的栅极，漏极分别接PMOS管MP13、MP14的漏极；
NMOS管MN9、MN10的源极分别接地，栅极分别接NMOS管MN5、MN6的漏极，漏极分别作为三级跨导放大器电路的正输出端Vout+和负输出端Vout-；
PMOS管MP13、MP14的源极分别接电源电压VDD，栅极分别接共模电压反馈放大器U1的输出端，漏极分别接NMOS管MN9、MN10的漏极；
电阻Rb5和Rb6的一端分别接共模电压反馈放大器U1的同相输入端，另一端分别接NMOS管MN9、MN10的漏极，共模电压反馈放大器U1的反相输入端接共模参考电压Vcm。
三级跨导放大器电路2采用的结构是三级跨导放大电路，第一级是采用NMOS共源共栅负载的PMOS差分共源共栅放大器电路，提供高增益，其中NMOS共源共栅负载加入源极电阻Rd1、Rd2，作用是提高第一级的线性度。第二级是PMOS差分共源共栅放大器的电路，加入gm提升电路来提高第二级放大器电路的带宽。第三级为电流镜和共源共栅输出级，主要作用是提高带载能力。因此，三级跨导放大器电路2具有高增益和高带宽的特点，
为了扩展跨导放大器的带宽，以实现跨阻放大器的低输入阻抗，不同于传统的米勒补偿方法产生一个低频极点从而限制了跨导放大器的带宽并增加了跨阻放大器的输入阻抗，在本发明提出的新方法中，不使用密勒电容，取而代之的是通过在跨导放大器和反馈网络传递函数中，即跨阻放大器的环路增益中放置一些特殊的零点，以此来提高相位裕度，从而实现环路的稳定性。这种方法的主要优点是可以实现比密勒补偿方法更大的带宽。采用的结构是三级跨导放大器，可以同时实现高增益和高带宽，进一步提高跨阻放大器的线性度。
本发明的跨阻放大器由无源电阻电容构成，电阻的作用是提供电流-电压转换，并提供一定的增益，电容的主要作用是滤除高频阻塞，以最少的滤波器阶数实现了较高的带内和带外线性度，以及较高的滤波品质因数，同时噪声性能和版图面积最优。其中的三级跨导放大器电路主要在其带宽和增益两项主要性能指标上进行优化，实现了高增益和高带宽，同时利用零点补偿方法而不是传统的米勒补偿的方法来满足其稳定性的要求。
如图2、图3和图4所示，仿真结果表明跨阻放大器实现了20MHz的3dB带宽，而且具有14dB的闭环增益，在5MHz(带内)和100MHz(带外)阻塞频偏处分别具有38dBm和53.8dBm的输入三阶截点(IIP3)。在线性度和带宽这两项性能指标上领先现有技术。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种应用于电流模无源混频器的跨阻放大器，其特征在于，该跨阻放大器包括三级跨导放大器电路、电阻R1、电阻R2、电阻Rf1、电阻Rf2、电容C1、电容C2、电容Cf1、电容Cf2，其中：
电容C1的一端接地，另一端接电阻R1的一端，电容C2的一端接地，另一端接电阻R2的一端，电容C1和电阻R1的公共端、电容C2和电阻R2的公共端作为输入端，电阻R1的另一端分别接三级跨导放大器电路的反相输入端、电阻Rf1的一端以及电容Cf1的一端，电阻R2的另一端分别接三级跨导放大器电路的同相输入端、电阻Rf2的一端以及电容Cf2的一端，电阻Rf1的另一端和电容Cf1的另一端分别接三级跨导放大器电路的正输出端，电阻Rf2的另一端和电容Cf2的另一端分别接三级跨导放大器电路的负输出端；
三级跨导放大器电路包括PMOS管MP1至MP14、NMOS管MN1至MN10、电阻Rb1至Rb6、电阻Rc1、电阻Rc2、电阻Rd1、电阻Rd2、电阻Rz1、电阻Rz2、电容Cc1、电容Cc2、电容Cz1、电容Cz2以及共模电压反馈放大器U1；
PMOS管MP1的源极接电源电压VDD，栅极接偏置电压Vb1，漏极分别接PMOS管MP2、MP3的源极；
PMOS管MP2、MP3的栅极分别作为三级跨导放大器电路的同相输入端Vin+和反相输入端Vin-，漏极分别接PMOS管MP4、MP5的源极；
PMOS管MP4、MP5的栅极分别接偏置电压Vb2，漏极分别接NMOS管MN3、MN4的漏极；
NMOS管MN3、MN4的栅极分别接偏置电压Vb3，源极分别接NMOS管MN1、MN2的漏极；
电阻Rb1和Rb2的一端相连，另一端分别接MN3、MN4的漏极；
电阻Rc1和Rc2的一端相连，另一端分别接NMOS管N1、MN2的栅极；
电阻Rb1和Rb2的公共端接电阻Rc1和Rc2的公共端；
电阻Rd1和Rd2的一端接地，另一端分别接NMOS管N1、MN2的源极；
电容Cc1和Cc2的一端分别接NMOS管MN3、MN4的漏极，另一端分别接NMOS管MN1、MN2的栅极；
PMOS管MP6的源极接电源电压VDD，栅极接偏置电压Vb4，漏极分别接PMOS管MP7、MP8的源极；
PMOS管MP7、MP8管的栅极分别接NMOS管MN3、MN4的漏极，漏极分别接NMOS管MN5、MN6的漏极；
NMOS管MN5、MN6的源极接地；
电阻Rb3和Rb4的一端相连，另一端分别接NMOS管MN5、MN6的漏极；
电阻Rz1和Rz2的一端相连，另一端分别接NMOS管MN5、MN6的栅极；
电阻Rb3和Rb4的公共端接电阻Rz1和Rz2的公共端；
电容Cz1和Cz2的一端分别接PMOS管MP7、MP8的栅极，另一端分别接NMOS管MN5、MN6的栅极；
NMOS管MN7、MN8的源极接地，栅极分别接NMOS管MN5、MN6的漏极，漏极分别接PMOS管MP9、MP10的漏极；
PMOS管MP9、MP10的栅极分别与自身的漏极相连，源极分别接电源电压VDD；
PMOS管MP11、MP12的源极分别接电源电压VDD，栅极分别接PMOS管MP9、MP10的栅极，漏极分别接PMOS管MP13、MP14的漏极；
NMOS管MN9、MN10的源极分别接地，栅极分别接NMOS管MN5、MN6的漏极，漏极分别作为三级跨导放大器电路的正输出端Vout+和负输出端Vout-；
PMOS管MP13、MP14的源极分别接电源电压VDD，栅极分别接共模电压反馈放大器U1的输出端，漏极分别接NMOS管MN9、MN10的漏极；
电阻Rb5和Rb6的一端分别接共模电压反馈放大器U1的同相输入端，另一端分别接NMOS管MN9、MN10的漏极，共模电压反馈放大器U1的反相输入端接共模参考电压Vcm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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